第8章耦合器與連接器

1、第八章 耦合器和連接器常見光無源器件l光無源器件是光路的重要組成部分。l光無源器件與電無源器件有許多相似之處，電無源器件如插頭、開關(guān)、電容、電阻、電感等，是電路的重要組成部分。常見的光無源器件有光纖連接器、光耦合器、光波分復(fù)用器、光隔離器、光衰減器、光開關(guān)等。l光無源器件遵守光學(xué)的基本理論，即光線理論和電磁場理論。 光纖連接器光纖連接器1 光光 耦耦 合合 器器2常見光無源器件光纖連接器原理 在光纖通信(傳輸)鏈路中，為了實(shí)現(xiàn)不同模塊。設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要，必須有一種能在光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動(dòng))連接的器件，使光路能按所需的通道進(jìn)行傳輸，以實(shí)現(xiàn)和完成預(yù)定或期望的目的和要求，能實(shí)現(xiàn)

2、這種功能的器件就叫連接器。光纖連接器就是把光纖的兩個(gè)端面精密對(duì)接起來，以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去，并使由于其介入光鏈路而對(duì)系統(tǒng)造成的影響減到最小，這是光纖連接器的基本要求。在一定程度上，光纖連接器也影響了光傳輸系統(tǒng)的可靠性和各項(xiàng)性能。 光纖連接器l光纖連接器可分為兩大類：活動(dòng)連接器和固定連接器。1 光纖活動(dòng)光纖活動(dòng) 連接器連接器2 光纖固定光纖固定 連接器連接器光纖連接的主要方式1.固定連接。主要用于光纜線路中光纖間的永久性連接，多采用熔接，也有采用粘接和機(jī)械連接。特點(diǎn)是接頭損耗小，機(jī)械強(qiáng)度較高。設(shè)備需要熔接機(jī)。2.活動(dòng)連接。主要用于光纖與傳輸系統(tǒng)設(shè)備以及與儀表間的

3、連接，主要是通過光連接插頭進(jìn)行連接。特點(diǎn)是接頭靈活較好，調(diào)換連接點(diǎn)方便，損耗和反射較大是這種連接方式的不足?，F(xiàn)在插損方面也已經(jīng)很好了,性價(jià)比較高。3.臨時(shí)連接。測量尾纖與被測光纖間的耦合連接，一般采用此方法連接。特點(diǎn)是方便靈活，成本低，對(duì)損耗要求不高，臨時(shí)測量時(shí)多采用此方式連接。連接器和接頭 連接器是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間可拆卸連接的器件。（活動(dòng)連接）主要用于光纖線路與光發(fā)射機(jī)輸出或光接收機(jī)輸入之間，或光纖線路與其他光無源器件之間的連接。接頭是實(shí)現(xiàn)光纖與光纖之間的永久性連接。（固定連接）主要用于光纖線路的構(gòu)成。8圖8.1 光纖與光纖之間連接損耗產(chǎn)生的原因(a)橫向錯(cuò)位 (b)角向錯(cuò)位 (c )端面

4、之間有間隔 (d) 端面不平滑連接器原理橫向錯(cuò)位圖8.2 發(fā)射光纖與接收光纖的重疊部分，兩纖x芯中心偏離距離d圖8.3 多模階躍光纖的橫向錯(cuò)位損耗圖8.4 傳輸模式的光斑尺寸為w的單模光纖的橫向?qū)?zhǔn)差錯(cuò)損耗曲線圖8.6 發(fā)射光錐和接收光錐相互重疊的部分圖8.7 多模光纖的角度錯(cuò)位產(chǎn)生的損耗圖8.8 單模階躍光纖的角度錯(cuò)位產(chǎn)生的損耗圖8.9 端面之間的間隙使一些發(fā)射光線可以逃逸出去光纖端面分離圖8.10 多模階躍光纖的端面間隙產(chǎn)生的損耗圖8.11 填充折射率匹配液可以減少光束發(fā)散，從而降低光纖的分離損耗圖8.13 傾斜端面產(chǎn)生的損耗19圖8.14 纖芯不匹配可能產(chǎn)生的損耗不同光纖之間的連接20圖

5、8.16 數(shù)值孔徑不匹配可能產(chǎn)生的損耗接收光錐發(fā)射光錐21圖8.17 減少連接反射的兩種方法 (a)物理接觸 (b)傾斜端面連接點(diǎn)的反射纖芯 包層纖芯 包層光纖頭預(yù)處理l刻痕-斷裂l研磨-拋光2223圖8.18 將光纖固定在套筒內(nèi)環(huán)氧樹脂 套筒光纜 裸光纖接頭l接頭通常指永久性的光纖連接l熔接 粘結(jié)24光纖固定連接器l光纖固定連接器的作用是使一對(duì)或幾對(duì)光纖之間永久性的連接。l制作固定接頭的方法有熔接法、V形槽法、套管法等。l1熔接法l用熔接法制作固定連接器，是光纖固定連接的主要方法。光纖固定連接器l它采用加熱的方法將光纖熔接在一起，只要操作得當(dāng)，熔接機(jī)設(shè)計(jì)合理，連接插入損耗很小，后向反射光近似

6、為零，可以得到非常理想的光纖固定接頭。光纖固定連接器l光纖加熱和熔化的方法有三種，如圖所示。l(1) 電弧熔接 (2) 氫氧焰熔接 (3) 激光熔接光纖熔接方法光纖固定連接器l(1)電弧熔接 l用高壓電極放電來加熱光纖，使之熔融連接，電弧放電和光纖的對(duì)準(zhǔn)可以由微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。電弧熔接是熔接法中應(yīng)用廣泛的方法。l(2)氫氧焰熔接 l用于一些特殊的場合，如海底光纜的光纖熔接，其特點(diǎn)是接頭強(qiáng)度高，但火焰的控制較為困難。l(3)激光熔接 l如用激光器加熱并熔接光纖，其特點(diǎn)是加熱環(huán)境非常干凈，接頭強(qiáng)度高，但設(shè)備昂貴。光纖固定連接器l實(shí)現(xiàn)光纖熔接的設(shè)備是光纖熔接機(jī)，它由下述部分組成：(1)光纖的

7、準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)；(2)光纖的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；(3)電弧放電機(jī)構(gòu)；(4)電弧放電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)。l以下是詳細(xì)介紹。光纖固定連接器l(1) 光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)l光纖的準(zhǔn)直與夾緊結(jié)構(gòu)由精密V形槽和壓板構(gòu)成，l精密V形槽的作用是使一對(duì)光纖不產(chǎn)生軸偏移，壓板使光纖固定在V形槽內(nèi)。光纖固定連接器l(2) 光纖的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)l在熔接光纖之前，一般要通過手動(dòng)或自動(dòng)裝置使纖心完全對(duì)準(zhǔn)。常用如下三種方法來實(shí)現(xiàn)光纖的對(duì)準(zhǔn)： 功率監(jiān)測 纖心直視 包層對(duì)準(zhǔn)l(3) 電弧放電機(jī)構(gòu)光纖固定連接器l熔接機(jī)的電弧放電由兩根電極完成，電極由鉬絲制成。l(4) 電弧放電和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)l在電極放電過程中，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都由微處理機(jī)控

8、制，按預(yù)定程序工作。光纖固定連接器l2其他固定連接方式l(1) V 形槽固定接頭l這種接頭攜帶方便，操作簡單，不需要貴重的儀表和設(shè)備。V 形槽的結(jié)構(gòu)是多樣的，圖為 FMS-1 型光纖固定連接器的結(jié)構(gòu)圖。 光纖固定連接器l(2) 毛細(xì)管固定接頭l毛細(xì)管固定接頭一般采用玻璃材料制作，將兩根處理好的光纖從兩頭穿入玻璃毛細(xì)管內(nèi)，利用其精密內(nèi)孔使兩根光纖纖心對(duì)準(zhǔn)。在兩根光纖端面加入匹配液，消除菲涅爾反射。 l(3) 套管式固定接頭l與活動(dòng)連接器一樣，其主要零件也是插針和套筒。插入損耗在0.1 dB以下。35圖8.20 電弧熔接熔接 電極 定位單元 裸光纖36圖8.21 各類機(jī)械式接頭粘接 光纖 光纖 光

9、纖 光纖 型槽 精密套筒 松套管 三根棒圖8.22 熔融玻璃棒接頭的彎曲部位圖8.24 帶狀接頭剖面圖，光纖對(duì)接的位置用箭頭指示連接器 可拆卸，用于收發(fā)端機(jī)與光纖的連接及實(shí)驗(yàn)室中，操作簡單，損耗較大。 3940l低損耗l可重復(fù)性l可預(yù)測性l壽命長l高強(qiáng)度l環(huán)境適應(yīng)性l易于組裝l易于使用l成本低光纖活動(dòng)連接器l1基本結(jié)構(gòu)及工作原理l光纖活動(dòng)連接器基本上是采用某種機(jī)械和光學(xué)結(jié)構(gòu)，使兩根光纖的纖心對(duì)接，保證95以上的光能通過連接器。l目前，活動(dòng)連接器有代表性且正在使用的結(jié)構(gòu)有以下幾種。 1 套管結(jié)構(gòu)3.1.1 光纖活動(dòng)連接器l 2 雙錐結(jié)構(gòu) 4 球面定心結(jié)構(gòu)l 3 V形槽結(jié)構(gòu) 5 透鏡耦合結(jié)構(gòu)光纖活

10、動(dòng)連接器l套管結(jié)構(gòu)的核心是插針與套筒。l插針是一個(gè)帶有微孔的精密圓柱體，其結(jié)構(gòu)和主要尺寸如圖所示。 插針的結(jié)構(gòu)與主要尺寸光纖活動(dòng)連接器l插針的精度要求是：外徑不圓度小于0.0005 mm；外圓柱面光潔度為 ；微孔偏心量小于 ；插針端面為球面，其曲率半徑為20 60 mm。l套筒是與插針相配合的零件，它有兩種結(jié)構(gòu)，如圖所示。141 m光纖活動(dòng)連接器套筒的結(jié)構(gòu)與尺寸l套筒的精度要求是：內(nèi)孔光潔度為 ；拔插力為3.92 5.88 N。開口套筒使用彈性好的材料，如磷青銅、鈹青銅、氧化鋯陶瓷等。1414光纖活動(dòng)連接器l光纖活動(dòng)連接器結(jié)構(gòu)上差別很大，品種也很多，但按功能可分成如下幾部分：l(1) 連接器插

11、頭(Plug Connector)：由插針體和若干外部零件組成。l(2) 轉(zhuǎn)換器或適配器(Adapter)：即插座，可以連接同型號(hào)插頭，也可以連接不同型號(hào)插頭，可以連一對(duì)插頭，也可以連接幾對(duì)插頭或多心插頭。 光纖活動(dòng)連接器l(3) 轉(zhuǎn)換器(Converter)：將某一種型號(hào)的插頭變換成另一種型號(hào)的插頭，由一種型號(hào)的轉(zhuǎn)換器加上另外其他型號(hào)的插頭組成。l(4) 光纜跳線(Cable Jumper)：一根光纜兩端面裝上插頭，稱為跳線。兩個(gè)插頭型號(hào)可以不同，可以是單心的，也可以是多心的。l(5) 裸光纖轉(zhuǎn)換器(Bare Fiber Adapter): 將裸光纖穿入裸光纖轉(zhuǎn)換器，處理好光纖端面，形成一個(gè)

12、插頭。光纖活動(dòng)連接器l2主要性能指標(biāo)及測試方法l(1) 插入損耗l插入損耗是指光信號(hào)通過活動(dòng)連接器后，輸出光功率相對(duì)輸入光功率的分貝數(shù)，其表達(dá)式為 (dB) 式中， 為輸入光功率； 為輸出光功率。插入損耗越小越好。Loutin10lg/IPP inPoutP光纖活動(dòng)連接器l重復(fù)性和互換性l重復(fù)性是指光纖活動(dòng)連接器多次插拔后，插入損耗的變化，用dB表示。l互換性是指連接器各部件互換時(shí)，插入損耗的變化，也用dB表示。光纖活動(dòng)連接器l影響光纖活動(dòng)連接器插入損耗的因素很多，現(xiàn)簡述如下：l(1) 兩個(gè)光纖纖心位置的錯(cuò)位，如圖所示。 實(shí)際有三種情況，即橫向錯(cuò)位、角度傾斜和端面間隙。l光纖纖心位置的錯(cuò)位光源

13、耦合51l反射損耗l面積失配損耗l封裝比損耗l數(shù)值孔徑損耗l高強(qiáng)度l環(huán)境適應(yīng)性l易于組裝l易于使用l成本低圖8.36 光源的耦合損耗53圖8.40 減少光源的光束發(fā)散角光源纖心源54圖8.41 光源耦合柱透鏡 光纖球形透鏡 光纖柱透鏡 光纖1 描 述 光 耦描 述 光 耦合 器 特 性合 器 特 性的 一 些 技的 一 些 技術(shù)參數(shù)術(shù)參數(shù)2光 耦 合 器光 耦 合 器 的 制 作 方的 制 作 方法法3 耦合機(jī)理耦合機(jī)理4 波 導(dǎo) 型 光波 導(dǎo) 型 光耦合器耦合器5光 波 分 復(fù)光 波 分 復(fù)用器用器(WDM)(WDM)和 解 復(fù) 用和 解 復(fù) 用器器 光光 耦耦 合合 器器描述光耦合器特性的

14、一些技術(shù)參數(shù)l1插入損耗(Insertion Loss) (3.4) 式中， 為第i個(gè)輸出端口的插入損耗； 為第i個(gè)輸出端口的光功率； 為輸入的光功率。l2附加損耗(Excess Loss) (3.5)l插入損耗是各輸出端口的輸出功率狀況，不僅與固有損耗有關(guān)，而且與分光比有很大的關(guān)系。outin10lg/(dB)iiILPPiILoutiPinPoutin10lg (dB)iiPELP 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)l3分光比(Coupling Ration) (3.6) l它是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo)。l4方向性(Directivity)l方向性是光耦合器特有的技術(shù)指標(biāo), 是衡量器件定向傳輸特

15、性的參數(shù)。以X形耦合器為例，方向性定義為耦合器正常工作時(shí)，輸入一側(cè)非注入光的一端輸出的光功率與全部注入的光功率的比值。outout100iiiPCRP描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)l由 2 端輸出的光功率 與全部注入的光功率(即圖3.11中 1 端注入的光功率 )之比為 (3.7) 圖 X形耦合器的方向性IN2(out)PIN1PIN2(out)IN110lg (dB)PDLP 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)l5均勻性(Uniformity)l對(duì)于要求均勻分光的光耦合器（主要是星形和樹形），由于工藝局限，往往不可能做到絕對(duì)的均勻，用均勻性來衡量其不均勻程度： (3.8)l6偏振相關(guān)損耗(Pol

16、arization Dependent Loss)l衡量器件對(duì)于傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)的敏感程度的參量，也稱為偏振靈敏度。outoutMin()10lg (dB)Max()iiPFLP 描述光耦合器特性的一些技術(shù)參數(shù)l當(dāng)傳輸光信號(hào)的偏振態(tài)變化 時(shí)，器件各輸出端輸出功率的最大變化量： (3.9)l 7隔離度(Isolation) (3.10)l式中， 為在第i個(gè)光路輸出端測到的其他輸出端光信號(hào)的功率； 為輸入的光功率。outoutMin()10lg(dB)Max()iiPPDLP outin10lg (dB)iiPIiP outiPiniP360光耦合器的制作方法l光耦合器大致可分為分立元件組合型、

17、全光纖型和平面波導(dǎo)型。l1、早期采用分立光學(xué)元件（如棒透鏡、反射鏡、棱鏡等）組合拼接。l 其耦合機(jī)理簡單直觀，可用一般的幾何光學(xué)進(jìn)行描述。l 但損耗大，與光纖耦合困難，環(huán)境穩(wěn)定性較差。光耦合器的制作方法l 2、全光纖耦合器，即直接在兩根（或兩根以上）光纖之間形成某種形式的耦合。l全光纖耦合器的發(fā)展： （1）最早是Sheem和Giallorenzi發(fā)明的蝕刻法 （2） Bergh等人發(fā)明了光纖研磨法， （3）研磨結(jié)束后，在研磨面上加一小滴匹配液，再將光纖拼接，做成光纖耦合器。光耦合器的制作方法 （4）20世紀(jì)80年代初，人們開始用光纖熔融拉錐法制作單模光纖耦合器，已成為當(dāng)前制作光耦合器的主要方法

18、。l3、集成化是未來光纖通信發(fā)展的必然趨勢(shì)。 利用平面光波導(dǎo)制作的光耦合器具有體積小，分光比控制精確，易于大批生產(chǎn)等特點(diǎn)。光耦合器的制作方法l熔融拉錐法是：將兩根（或兩根以上）除去涂覆層的光纖以一定方式靠攏，在高溫下熔融，同時(shí)向兩側(cè)拉伸，最終在加熱區(qū)形成雙錐形式的特殊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳輸光功率耦合的一種方法。l熔融拉錐制作系統(tǒng)的示意圖如圖所示。 熔融拉錐制作系統(tǒng)示意光耦合器的制作方法l熔融拉錐型全光纖耦合器有如下優(yōu)點(diǎn)：l(1) 極低的附加損耗，對(duì)于X 形或Y 形耦合器（參見表），附加損耗小于0.05 dB。 表 標(biāo)準(zhǔn)X, Y型全光纖耦合器的典型性能指標(biāo) 指 標(biāo)單模2(1)2工作波長1310, 1

19、550nm附加損耗0.1 dB分光比容差分光比方向性60 dB工作溫度-40C85C光耦合器的制作方法l(2) 方向性好，一般達(dá)到60 dB，保證了傳輸光信號(hào)的定向性，減小了線路之間的串?dāng)_。l(3) 良好的環(huán)境穩(wěn)定性，光路結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在 -4085溫度范圍內(nèi)耦合器可以保證穩(wěn)定工作。光耦合器的制作方法l(4) 控制方法簡單、靈活，不僅可以方便地改變器件的性能參數(shù)，還能制作具有不同功能的其他器件。l(5) 制作成本低，適于批量生產(chǎn)。上表給出了標(biāo)準(zhǔn)X，Y型全光纖耦合器的典型性能指標(biāo)。耦合機(jī)理l1單模光纖耦合器l在單模光纖中，傳導(dǎo)模是兩個(gè)正交的基模( 模)，耦合器中光場強(qiáng)分布如圖所示。耦合器中光場強(qiáng)

20、分布11HE耦合機(jī)理l傳導(dǎo)模進(jìn)入熔融錐區(qū)，纖心不斷變細(xì)，V 值逐漸減小，有越來越多的光功率進(jìn)入光纖包層中，實(shí)際光功率是在以包層為心、光纖外介質(zhì)為包層的復(fù)合波導(dǎo)中傳輸?shù)摹?耦合機(jī)理l在輸出端，隨著纖心的逐漸變粗，V 值增大，光功率被兩根纖心以特定比例捕獲。在熔錐區(qū)，兩根光纖包層合并在一起，兩根光纖纖心足夠接近，形成弱耦合，如下圖所示。l 圖 熔融拉錐型光纖耦合器的工作原理耦合機(jī)理l在弱導(dǎo)近似下，假設(shè)光纖無損耗，則有耦合方程： (3.11)l式中， 分別為兩根光纖的模式場幅度； 是獨(dú)立 狀態(tài)的兩根光纖的傳輸常數(shù)； 是耦合系數(shù)。l實(shí)際上，自耦合系數(shù) ，且 。 當(dāng)z = 0 時(shí)，已知 ，則耦合方程的解

21、為式(3.12)所示。1111112222222211d( )j()jdd( )j()jdA zCACAzAzCACAz12,A A12, i jC11220CC1221CCC12(0),(0)AA耦合機(jī)理l因此可求得每根光纖中的功率為l (3.13)l由此得到： 耦合比率與熔融 拉伸長度的關(guān)系 曲線，如圖3.15 所示。最大耦合率 可以達(dá)到100。 耦合比率與熔融拉伸長度的關(guān)系2221122222( )( )1sin( )( )sinCP zA zFzFCP zAzFzF耦合機(jī)理l2多模光纖耦合器l階躍多模光纖的模式總數(shù) ，當(dāng)傳導(dǎo)模（靠近光軸為低階模，離光軸較遠(yuǎn)的是高階模）進(jìn)入多模光纖耦合器的熔錐區(qū)時(shí)，纖心變細(xì)，V值變小，纖心中束縛的模式數(shù)減小，較高階模進(jìn)入包層，形成包層模。l在熔錐